Ученые Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН совместно с коллегами выяснили, что способность бактериальных клеток поддерживать нормальный уровень рибозы — сахара, который является компонентом РНК и ДНК, — влияет на их восприимчивость к различным антибиотикам, применяемым в клинической практике.
Синтез рибозы осуществляется в рамках пентозофосфатного пути, который позволяет клетке тонко настраивать её уровень в зависимости от доступных питательных веществ и воздействия стрессовых факторов.
Исследования показали, что мутации в генах двух ферментов этого пути лишают клетку способности регулировать количество рибозы, что, в свою очередь, приводит к значительному увеличению чувствительности бактерий к антибиотикам.
Эти результаты открывают перспективы для разработки комбинированных препаратов, направленных на борьбу с патогенами, обладающими лекарственной устойчивостью. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в журнале mBio.
С момента начала применения антибиотиков в медицине прошло почти сто лет, и за это время эти препараты смогли спасти миллионы жизней.
Однако их массовое использование, в том числе в интенсивном промышленном животноводстве, способствовало эволюции защитных механизмов, позволяющих бактериям выживать под воздействием этих лекарств.
На сегодняшний день учёные считают необходимым кардинально изменить подход к борьбе с устойчивыми патогенами. Эффективность противомикробной терапии можно повысить лишь при условии понимания того, как метаболизм бактерий изменяется под влиянием различных антибиотиков.
Исследователи из ИМБ РАН (Москва), Медицинской школы Нью-Йоркского университета (США) и Медицинского института Говарда Хьюза (США) обнаружили, что «ахиллесовой пятой» бактериальной клетки является процесс синтеза рибозо-5-фосфата (рибозы). Этот сахар играет ключевую роль в образовании скелетов РНК и ДНК и необходим для нормального роста и деления клеток.
Синтез рибозы прошел долгий путь эволюции, в ходе которого этот биохимический процесс трансформировался из однонаправленного каскада реакций в своего рода цикл — пентозофосфатный путь.
На первом этапе клетка, используя глюкозу в качестве источника энергии, производит рибозу для формирования генома и синтетического аппарата. На втором этапе вся неиспользованная рибоза возвращается в центральный метаболизм и расходуется на другие нужды. Таким образом, пентозофосфатный путь функционирует как сенсор, который сопоставляет потребности клетки с уровнем ее роста, предотвращая излишний расход ценных соединений.
В данном исследовании в качестве модельного микроорганизма использовали кишечную палочку Escherichia coli. С применением методов генной инженерии ученые создали три группы бактерий.
В первой группе был удален ген, отвечающий за первый этап пентозофосфатного пути. Во второй группе инактивировали второй этап этого пути.
Третья группа сочетала обе мутации, что кардинально изменило синтез рибозы в этих клетках, сделав его аналогичным «первобытному» однонаправленному биосинтезу, который сохранился у архей (безъядерных организмов, эволюционно отличных от бактерий), некоторых представителей кишечной микрофлоры и растений.
Выяснилось, что ни один из вариантов нарушения пентозофосфатного пути не оказал влияния на скорость роста бактерий, поскольку клетки способны «переключаться» между различными способами синтеза рибозы.
Однако, в сравнении с исходными клетками без мутаций, бактерии с нарушением первого этапа стали чувствительнее к гентамицину, цефотаксиму, эритромицину и рифампицину — антибиотикам, которые активно применяются для лечения бактериальных инфекций. При отключении обоих этапов пентозофосфатного пути в присутствии антибиотиков выжило лишь 1 % бактерий.
Исследования показали, что повышенная чувствительность мутантных бактерий к антибиотикам обусловлена избыточным накоплением рибозы в их клетках.
Генетические модификации, способствующие более эффективному использованию рибозы, восстанавливали устойчивость к антибиотикам у микроорганизмов с нарушенным пентозофосфатным путем. Таким образом, общий метаболический «иммунитет» бактерий оказался связан с процессами синтеза и расхода рибозы. Это открывает возможность использования искусственного увеличения внутриклеточного уровня рибозы для борьбы с антибиотикорезистентностью.
«Мы предполагаем, что воздействие на ферменты пентозофосфатного пути, а также на процессы, связанные с использованием рибозы в клетке, позволит разработать новые терапевтические средства, направленные на повышение эффективности клинически значимых противомикробных препаратов. В дальнейшем мы планируем исследовать роль рибонуклеозидов — предшественников структурных звеньев цепи РНК на основе рибозы — как потенциальных модуляторов чувствительности бактерий к антибиотикам», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Татьяна Серегина, старший научный сотрудник лаборатории генетической регуляции метаболических процессов ИМБ РАН.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.
Источник: Российская академия наук.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
